超声波水浸聚焦探头斜入射声场的分析与实验

摘要：长期以来研究人员利用水浸聚焦探头发出的超声波在水中聚焦形成的焦点对结构件内部的微小缺陷进行检验，从中可知，对于焦柱的位置的确定直接影响着检测结果的好坏。检测人员所采用检验工艺的理论依据是几何聚焦原理，这是一种近似的几何运算，在进行实际检验时可能存在一些偏差。本文对此进行了理论分析和实验验证，研究结果表明运用几何聚焦原理测算出的焦点位置与实际焦点位置存在一些偏差，作者还介绍了一种测试和分析声场的方法，通过实验并结合软件对斜入射时超声在试件内部的声场进行了分析。      

     Analisising andexperiment of ultrasonic field with immersion focusing ultrasonictest in angle beam incidence   WANG Jun^1,2,GANG Tie¹, TIAN Chun-ying², GaoShuang-sheng¹,   ZHANG Wei-zhi^1,3  (1.State Key Lab of Advanced Welding Production Technology,Harbin Institue of Technology, Harbin 150001;   2.Collegeof Material and Technology, Jiamusi University, Jiamusi154007;       3.Shanghai volkswagen motorLtd., Shanghai 200000 )      Abstract:Immersion focusing ultrasonic test technology was widely used intesting fine defects of structure specimen by researcher. So focusposition is highlightedly important to the result of detectingdiscontinuity. Testing process by detector is based on geometryfocus principles and it’s a approximate caculation, so that it willleads to a certain extent error. This paper confirm the exists ofthe error between theory analysising and experiment validating, atthe same time a new method of measuring sound field analysized bythis method in angle beam incidence is proposed.     Keywords: ultrasonic test；  immersion focusing；   sound field  

      前言

      水浸聚焦超声无损检测技术是利用凹透镜将探头发出的超声波在水中进行会聚，会聚的超声波束遇到工件后进一步聚焦,在工件内部形成二次聚焦焦点，然后利用焦点对工件内部的缺陷进行检测。它避免了水浸超声检测时超声波束在水中的发散现象，提高了缺陷的检测精度及灵敏度，特别适用于检测焊件内部的微小缺陷。

      常规的方法是采用探头垂直工件表面入射进行检测，但对垂直于工件表面的面缺陷来说，垂直入射很难发现缺陷。理想的解决方法是采用斜入射的检测工艺。一方面可以提高检测灵敏度，检测到更小的面缺陷，另一方面还可以对该缺陷进行定量分析。在斜入射时工件内部的声场更加复杂，焦点位置的确定是诸多检测参数中*重要的，它直接影响着检测灵敏度及精度，但其相关研究还比较少，因此作者针对水浸聚焦斜入射时工件内部焦点的位置进行了比较深入的分析和研究。

       1  理论分析

      水浸聚焦探伤中，探头是通过水耦合到工件上的。声波在进入工件之前，在水中要走一段距离。又由于聚焦声束中的各个声线（对焦点而言）是会聚的，因此各声线对工件的入射表面的入射角是不同的。聚焦声束经过工件表面时，总有折射发生，原来是聚焦的声束，斜穿过工件表面后也应该是会聚的。由于聚焦探头斜入射的声场比垂直入射时复杂，所以准确把握焦点位置对于**检验工件内部的缺陷，特别是微小缺陷至关重要。 

    根据几何光学原理，探头垂直入射至工件内部时焦点位置如图1。在图中 代表聚焦探头在水中的一次焦距， 代表超声波遇到工件后进一步会聚形成的二次焦距。 是聚焦探头晶片的曲率半径。D为探头晶片直径。简

 
    化起见，我们用 、 表示一次和二次焦点的

位置。  其焦点位置用公式表示为^[1]：    式中C₂、C₃——分别为介质声速和工件声速

         同样根据几何光学原理，探头斜入射至工件内部时，焦点位置如图2^[2]。聚焦探头的任意一条声线A₁B₁经工件表面折射后与轴向声线SO的折射声线OP¢交于P¢点。设B₁P与OP的夹角为q。i，r分别为轴向声线SOP¢的入射角和折射角，i¢，r¢分别为声线A₁B₁P¢的入射角和折射角。我们用、 代表一次和二次焦点的位置。     设ÐB₁P¢O=a，n=C₂/C₁，C₁和C₂分别是液体介质和检测工件声速。对于不锈钢工件检测，水声速C₁=1480米/秒，钢中纵波声速C_l2=5650米/秒，钢中横波声速C_s2=3120米/秒。根据几何声学原理通过公式推导得到下式：    

          由式中可知，如果给定r值和OP值，那么OP’值将随 的变化而变化。当 角很小时声线可以近似地认为聚焦于一点，所以探头斜入射时越是靠近轴线处的声线，声线之间的聚焦效果就越好，但根据上述公式，当增大时，远离轴线的声束聚焦效果相对要差。所以我们认为，当水浸聚焦探头斜入射至某一平界面时，其声线会聚状况与直入射不同，直入射时水浸聚焦探头发出的声线进入工件后基本会聚于一点，而斜入射时，只有比较靠近轴线处的声线才能近似地会聚于一点。显然两种入射方式的聚焦情况有所不同，但是在斜入射时，如果缺陷处于焦点位置，仍能够得到*大的检测灵敏度，因此**确定斜入射时的焦点位置是能否*大限度提高检测灵敏度的关键所在。通常我们所采用的超声波水浸聚焦探头的扩散角比较大，所以从理论上讲通过上述计算公式得到的焦点位置是不适用于微小缺陷的精密检测的。 

图5 探头斜入射声场分布  Fig.5 Sonic field of ultrasonic with anglebeam incidence

    2 实验验证

     通过上述的理论分析，我们知道根据几何聚焦原理来计算二次焦点的位置是不**的。下面通过实验来进一步研究水浸聚焦斜入射时二次焦点的位置。

     实验设备及实验条件：实验设备为自动超声C扫描检测系统，实验条件严格遵循无损检测标准所制订的基本条件^[3]。

     探头实测技术参数为频率7.8MHz，焦距26mm，晶片直径10mm。 

    实验验证：我们使用上述水浸聚焦探头，以19.5度的倾斜角和不同的轴向液程（在这里记为从探头到试件表面的距离）斜入射试件表面，并按图3中所示方向运动。记录每个孔的回波*高值，回波高度代表了声束进入试件后遇到反射体（圆孔）后反射回来声束的强弱。它同时代表了探头声束的检测能力。对于单个的孔来说，在反射波*强处可以认为探头以一定角度和轴向液程发出的声束的中轴线与反射体正交。因试件中每个孔的深度不同，记录不同深度的每个孔回波的*高值，就可以确定焦点的位置。前面我们已经通过理论分析证实了聚焦探头斜入射时，声束在试件内部也是会聚的，在焦点处遇到反射体的回波强度应该是*大的。我们分别以19mm，16mm，13mm的轴向液程进行实验得出的数据结果如图4。

     图中可知，通过改变轴向液程可以调节焦点的位置，即不同的轴向液程进入试件后焦点的位置也不同。19mm轴向液程时在试件内部焦点深度的理论计算值为2mm，实测值为2.5mm，其相对误差是25%。16mm时理论计算值是2.7mm，实测值为3.5mm，其相对误差29%。13mm时理论计算值是3.7mm，实测值为5mm，其相对误差35%。随着轴向液程降低，焦点深度加大。而且，随着轴向液程的降低，其理论计算焦点位置与实际焦点位置偏差增加。

     通过上述实验可以看到水浸聚焦探头斜入射的声场更为复杂，单纯应用焦点深度的理论计算值进行检测是难以获得较高的检测灵敏度的，尤其对于微小缺陷检测的影响更大。因此我们可以首先通过理论计算大致估算出焦点的位置，然后再通过实验**测定焦点所在，准确把握水浸聚焦探头斜入射时试件内部的二次焦点的位置。

      3 声场的测试与分析

      为了提高检测缺陷的灵敏度，为了更**更直观地掌握探头斜入射时超声在工件内部的声场分布情况，作者通过实验结合Origin软件测试和分析了探头斜入射时超声在工件内部的声场分布情况。 实验采用上述探头及圆孔试件和超声C扫描检测系统进行。首先让该探头以19mm的轴向液程和19.5°的入射角按图3所示的运动方向进行扫描，超声波进入到试件内部遇到圆孔反射回来时，记录该孔反射波的*高值，用该值代表试件内部声束轴线处声场的强弱。

     每一个孔代表试件内不同的深度，不仅记录了在该深度声束轴线处的声场强弱，而且对于该深度轴线周围的声线的强弱，也进行了测试和记录。方法是当探头移动到一个孔的*高回波处时，使探头以一定的步长，先向前再向后移动一定的步数，同时记录回波的高度。回波的高低代表该声线的强弱，回波越高，声线聚集程度越强。记录回波高度值和试件内部不同深度相应的位置就可以描述试件内部不同深度声场的分布情况。

     根据上述实验获得的数据，利用软件进行分析的结果，见图7，横坐标代表圆孔试样的上表面，纵坐标代表试件的深度，不同颜色代表超声在试件内部不同位置的回波高度，它表示了各个位置声场的强弱。由图中分析可知，水浸聚焦探头斜入射时，在声束的横截面上，轴线处的的声场*强。而在整个声束轴线上，声场强度是不同的。声束轴线处某一深度的声场*强，那么焦点就应该在此位置。当被检区域处于焦点处时，这时所获得的检测灵敏度*高。探头移动的步长对于声场测试的精度具有决定意义，步长越小，则测试精度越高，但相应测试时间长。

     当我们用某一型号探头进行检测时往往要先测试探头的性能，估算试件内部声场。利用此方法可以更加准确地描述出试件内部声场的实际情况，这为制订检测工艺提供了坚实的实验基础，对于提高检测微小缺陷的灵敏度具于重要的意义。

      4 结论

      1)       采用水浸聚焦斜入射检测工艺时，运用几何聚 焦原理测算出的二次焦点位置与实际焦点位置存在偏差，实验表明探头与工件表面的距离越近，则偏差越大。

     2)       实际检测时，首先运用几何聚焦原理估算二  次焦点的位置，缩小实验范围和实验量，然后通过实验**测定二次焦点的位置。

    3)        为提高检测精度及灵敏度，更**直观地掌<DIValign=left>握试件内部的声场分布情况，通过实验并结合软件提出了一种测试和分析声场的方法，该方法不仅能提高检测灵敏度，而且对检测微小缺陷具有重要的指导意义。